楼宇自动化设计与建筑节能

智能建筑楼宇自控系统设计与建筑节能作者名称(作者所在单位城市邮编)摘要：简要介绍了智能建筑的楼宇自控系统，分析了楼宇自控系统的组成、结构和主要特征，简述了楼宇自控系统的主要设计步骤，并从建筑能耗及楼宇自控系统的节能控制角度分析智能建筑中中央空调系统、照明系统等设备的各种节能控制方法原理、特点，为楼宇自控系统的综合节能方案的设计及实施提供参考。关键词：楼宇自控系统；建筑能耗；节能控制随着计算机技术、控制技术、通信技术及信息技术的飞速发展，人们对生活、办公环境安全性、舒适性的要求日渐增长，智能建筑(IntelligentBuilding)应运而生。智能建筑是现代建筑技术与高新信息技术相结合的产物。随着社会的进步和发展人们对工作、生活环境的要求不仅仅是有一个遮风挡雨的房屋，而是有一个环境优雅、舒适、安全且节能的高科技建筑［1］。同时国家对于建筑节能减排的要求也在逐年提高，这也为智能建筑发展提供了广阔空间⑵智能建筑通常包含三大基本要素，即楼宇自控系统(BAS，BuildingAutomationSystem)、通信网络系统(CAS，CommunicationAutomationSystem)和办公自动化系统(OAS，OfficeAutomationSystem)［3~5］，这三者的有机结合，使建筑物能够提供一个合理、高效、舒适、安全、方便的生活和工作环境。其中，楼宇自控系统是智能建筑的一个重要组成部分。楼宇自控系统在智能建筑中起着非常重要的作用，除满足对各种设备进行分散控制、集中管理并具有高可靠性和信息集成性外，更重要的作用应该是有效地利用先进的控制技术和信息集成的优势节约能源，使系统产生更大的效益。有资料表明6］，民用建筑中的能耗结构为：在发达国家的建筑中，围护结构的冷热损耗和通风空调系统的设备能耗占65%，照明和室内用电设备能耗为14%，生活热水和给水排水系统能耗占15%；而在我国，围护结构的冷热损耗和通风空调系统设备能耗占50%以上，照明和动力系统能耗占30%以上。总体而言中央空调系统、给排水系统、照明与动力系统所占能耗为总能耗啊9%以上，所以通过楼宇自控系统对上述高耗能系统进行有效的控制对于降低建筑运行成本，提高系统运行寿命并对实现节能减排目标具有非常重要的意义。1楼宇自控系统简介楼宇自控系统泛指建筑物内通过现场监控、感应设备监视环境情况，信号经线路传输至中央控制室，由中央控制计算机对有关信号分析处理后，再经线路传输给有关现场执行设备进行现场控制的过程(见图1)。图1：楼宇自控系统结构图楼宇自控系统是利用计算机及其网络技术、自动控制技术和通信技术构建的高度自动化的综合管理和控制系统，其将大楼内部各种设备连接到一个控制网络上，通过网络对其进行

综合的控制；并运用相应技术手段，依据一定的技术标准，实现该建筑的智能化，如将第三方子系统进行集成。建筑物内所有机电装置和能源设备通常采用集散型控制系统，它的特征是“集中管理，分散控制”，即以分布在现场被控设备处的多台就地控制装置来完成被控设备的实时监测、保护与控制。楼宇自控系统的一般为三级硬件，二层网络结构：（1） 中央数据管理服务器：包括一台或数台计算机及打印机、UPS等终端设备。计算机安装自控系统数据管理软件，具有数据存储、分析、报警等众多功能，现多为B/S结构，具备多用户同时WEB访问功能。其指挥监控整个楼宇自动化系统，是楼宇自控系统的大脑。（2） 网络控制引擎：网络控制引擎位于整个楼宇自控系统中间位置。其与数据管理服务器常通过TCP/IP协议进行通讯，与现数字型现场控制器采用RS485/232总线及国际标准开放协议如BACnet协议进行通讯。网络控制引擎接收数字型现场现控制器传输的数据并上传中央数据管理服务器，其本身也具备数据存储及管理能力，可以指挥数字型现场控制器的运行并具备WEB访问能力，可脱离中央数据管理服务器独立运行。（3） 数字型现场控制器与现场受控设备：数字型现场控制器是安装在受控设备附近的模块化楼宇控制器。其包含一定的数字输入输出点位DI，DO）及模拟输入输出点位（AI，AO），通过电缆与受控机电设备上的传感器、执行器及强电柜二次回路连接，通过内置的预定程序工作，它通过总线与网络控制引擎通讯，对于迷你系统，采用带液晶显示的数字型现场控制器即可满足系统需要。2楼宇自控系统组成楼宇自控系统的任务是对建筑中分布在各处的机电设备进行有效控制，给使用者提供安全舒适、高效经济的工作与生活环境，同时也要求尽可能降低能量的消耗。所以说楼宇自动化系统的实质是使建筑物达到主动节能。楼宇自控系统主要包括以下几个内容的控制：中央空调一冷冻机房自控一新风及空调机一主要的供风和排风机一空调系统分区开/关监控一中央空调计费系统；给水/排水设备计费系统及设备管理；公共照明系统分区/分层开/关监控；变电系统监控一高压及配电监控一通过电力变送器对整个楼宇供电情况作模拟监控；自动扶梯和电梯监控；消防系统报警监控；锅炉机房及热水供应监控系统等。BAS的基本内容如图2所示。其最终目的是降低人的劳动强度、节能，为建筑物的使用者提供安全、舒适和高效的工作与生活环境，并提供智能化管理。击占：1X自主粪少.迪城槌嵬一.况壑地自或林学-I因眨崎买不蜕I外国控也.击占：1X自主粪少.迪城槌嵬一.况壑地自或林学-I因眨崎买不蜕I外国控也.2时拧:H坏境橱能琴和:亭若控系址至调in讶业厅砺满i诂色就工M.'；%誓磷茨及商紧"£电推电辞箱档一百证丽5利I典幢搂厂=帷顶雪..n#aw；沁与冬中水1•迪~曜耳换技系甘尘g图2：BAS主要内容一览表一H>l5地吐根貌旻用阻堕'堂年壁F：

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咕苦射布竹岸3楼宇自控系统所带来的利益节省能源。采用了BAS后，对于设备的管理可以根据预先编排的时间程康如办公时间、节假日时间、昼夜时间等)对电力、照明、空调等设备进行最优化的节能控制。如根据办公时间程序来控制照明系统的开启.根据空调冷负荷量，调整冷冻机及相关水泵的开启状况，实现最优化控制等。节省管理费用。采用了BAS后，仅需1〜2名工作人员即可完成对系统的控制。相应的管理费用，如人员工资、福利、住房、办公环境、费用等均可节省。延长设备使用寿命。通过BAS管理的设备，可以完全依照设备的性能来进行控制，不会出现误动作导致设备损坏，也不会有长时间超负荷运转等对设备有损伤的现象发生，使设备能在最优状态长期稳定运行。提高管理可靠性。采用BAS，可以提高管理系统的可靠性，不会出现由于人工管理的疏忽，疲劳、判断失误的出现，而这些问题往往会给业主带来无法估量的经济损失。规范管理制度。BAS本身可以依据管理惯例对设备进行自动控制，它具有自动分析人员管理指令的能力。可以对管理人员的不当操作进行提示，使得一些不规范的管理规范化。4楼宇自控系统设计方法楼宇自控系统是现代控制技术、通信技术、计算机技术、“3C”技术相结合的产物。楼宇自控系统要对建筑物内所有机电设备进行管理、控制。楼内采用的机电设备是由多个生产厂商供货的，而楼宇自控公司要把它们集中在一个系统中进行控制、管理。楼宇自控系统是建筑设计的一部分，并与建筑设计同时进行的。在我国设计图纸完成后，机电设备要进行设备招标，中标后才能确定设备品牌，楼宇自控系统设备选择就是这样确定的。因此，在工程的前期设计过程中，确定不了设备品牌。在工程设计中，要根据业主的投资额和使用要求，确定楼宇自控系统的控制范围、控制点数及整个系统的构成。该系统与土建施工有关部分全要做好预留和预埋。我们把设计院完成的设计内容称为一次设计。该设计图纸在施工中使用，是设备招标的基础资料，供设备招标使用。招标工作完成后，确定了楼宇自控系统的品牌，由中标的专业公司配合设计院进行二次设计。首先，要按产品性能、特点完善设计院的一次设计，核对控制点数表，确定各种设备的规格、型号，绘制二次设计施工图纸。所选择的设备要有开放的标准，自控系统要对楼内全部机电设备进行控制，这些设备和系统的数据通讯必须按同一标准协议，它由一系列与软件及硬件相关的通讯协议组成，规定了计算机控制器之间所有对话方式。在实际工程中，多数设备和子系统愈来愈多，愈来愈复杂，不同厂商提供的不同产品和系统，其通讯协议不同，互联很困难。承包商也可以采用开发网关方式，完成楼宇自控系统与第三方之系统的互联。系统之间要完成协议转接，一定要开发网关的硬件及软件实现互联。承包公司二次设计完成后，供施工、设备安装、调试等环节使用。最后，通过权威或法定的测试后楼宇自控系统完成验收并投入正式运行。5楼宇自控系统节能方法及实现过去的建筑设计缺乏节能观点，重视初投资而忽视建筑设备的日常运行费用和能耗量，造成运行费用高、耗能大。楼宇自控系统的造价一般相当于建筑物总投资的0.5%〜1%，其年运行费用的节约率在10%以上，这样数年就可以收回全部费用，因此从长远考虑应用可大大提高大楼的整体效益。5.1冷水机组系统节能控制空调监控系统是智能建筑楼宇自动化系统中的一个重要子系统，也是监控点最多、监控范围最广、监控原理最复杂的一个系统［7。其中冷水机组群控最为复杂。由于冷机类型、大小、驱动、厂家、管网、水泵、冷却塔、分配系统和负荷的不同，每一个冷冻站及其控制都需要在特定的基础上进行设计。冷冻站通常有两种类型：变流量和定流量。两种类型的系统其负荷管网都是并联的。使用哪一种类型的系统，是由远端负荷的控制方式来确定的。盘管的节流阀随着负荷改变流量，而温差则倾向于保持接近设计温差。冷水的设计温度决定了基础流量。为了提高能量效率，设定值可以根据最大负荷区域或其他一些变化情况重新设定。管网和水泵可以有不同的连接方法，但必须保持厂家要求通过的一台运行冷机的最低流量。以下是例举的几种冷水机组优化节能控制方法：优化制冷剂压力。制冷机的效率取决于冷机的满负荷百分比以及冷凝器与蒸发器中的制冷剂压力差。在实践中，此压力差由冷凝器冷却水出口温度减去冷冻水供水温度来代替。为减少此压力差，必须提高冷冻水供水温度或降低冷凝水的温度。每减少1°C，可节省能量2%〜3%。减少制冷剂压力差有两个有效的办法：A、 负荷减小时，重设冷水负荷，提高供水温度设定值。B、 降低冷凝水温度到最低的安全值(使用厂家的推荐值)。关闭冷却塔旁通阀，开足冷凝水泵，让冷却塔风机发挥全部作用，直到水温与室外空气温度之差小于3C。然而，水泵和风机消耗电力，在计算能量节省时，应该把该消耗和变风量(VAV)空气处理器的风机动力一起考虑进去。优化运行。多冷机冷冻站应该运行于部分负荷曲线的最高效率点上。在不同极限压力条件下会产生类似的曲线。关于在一个两台机组的冷冻站于何点应该加或减冷机，一般情况下，应该画出冷机所有组合的部分负荷特性曲线。这样即可确定在n和n+l冷机之问的平滑改变点。最大限度地减少运行时间。冷冻站每天优化起动的时间是建立在空气处理机起动时间的基础上的。冷机起动时间一般可与第一个风机系统的起动时间相同。如果水系统热容量很大，冷机可以起动早些；如果在起动过程中室外空气可以向风机系统供冷，则冷机可起动得晚些。5.2热水锅炉系统节能控制锅炉系统由于其本身的高温高压的特点使得对其的自动控制相对于冷水机组群控有一定的区别。其自控功能可分为容量控制和安全控制两大类。容量控制。使供热能力随负荷而变化。设计者需要了解这些控制功能，以便把它们集成到包含多种设备的控制系统中去。安全控制。一旦检测到不安全因素时，产生报警并关机。如果有上述控制系统，则把报警信号传输到控制中心。出于安全考虑，安全控制在锅炉系统控制中所占比重与冷水机组相比要高很多。锅炉向热水系统的供热量通过调节火焰和开关锅炉来控制。火焰调节是由锅炉自身的控制装置来完成的，但增减锅炉的时机以及供水温度要由控制系统的设计者来决定。锅炉本身的一些运行参数往往通过高阶接口接入楼宇自控系统。良好的系统设计可以提高系统的效率，并提高系统寿命。热水输送控制包括锅炉房或换热站的热水温度的控制，热水温度的重新设定，以及各热区的控制。其他需要考虑的因素包括：通过锅炉的最小水量。在温度发生剧变时锅炉的保护。热源选择功能。如果使用了多种热源或替代热源(如冷凝器热回收或太阳能蓄热装置等)，则控制策略中应包括热源排序或选择最经济能源的办法。5.3空调机组节能控制由于这部分设备众多且分散，而其用电量目前占整个建筑的50%左右。因而这部分能耗是现代建筑耗能的重头，其节能效果的好坏主要取决于该部分采用新技术的多少及性能的优劣和管理的严格与否。例如：并根据实际环境，采用优化焓值控制，在满足需要的条件下尽可能的使用室外新风进行室内热湿处理，减少冷热源系统的负担；采用变新回风比例自动控制，在满足室内空气新鲜度要求情况下尽可能利用室内回风，减少系统的新风负荷。根据空调机组送回风温度与设定温度偏差，通过PI调节电动二通水阀开度，在满足需求情况下调整冷热水流量，避免能源浪费以及热不舒适的发生；依据各部位在不同时间的冷热量的要求，进行变风量控制。如采用先进的变风量空调系统，变风量空调控制可减少空调负荷5%〜30%，针对工作时间和非工作时间，以及环境中人员热源的多少，自动调整控制的设定值，实现最佳节能控制；根据人体生理原理对温度、湿度、舒适度的要求，扩展上限下限的设定值，有资料［8表明空调上限温度从25^提高到26r，则可节约8%左右的制冷量。另外，根据各地的具体条件，还可以利用自然能源作为空调机组的冷热源，即根据环境要求和条件，自动地采用不同的能源，如风能、太阳能等。楼宇自动化系统若采用了以上的节能技术和手段，将会有良好的节能效果。5.3给排水系统节能控制给排水系统在智能建筑正常运行中起着重要的作用，同时由于用户对生活用水的消耗，其的能耗在整个建筑能耗中的比重不如小觑，对给排水系统进行节能控制也是整个楼宇自控系统节能控制中的重要一环。楼宇自控系统可以通过液位开关、液位传感器实时监测生活水箱、消防水箱的液位状态并联动相应的补给水泵对水箱进行补给，保证建筑内用户的用水需求；可以根据恒压供水系统水泵出水口的压力对通过比例积分(PI)运算来控制变频水泵的转速，在保证恒压供水的前提下实现节能；可以通过水管电磁流量计或水流开关等设备分析用户的用水需求，及时调整水泵房水泵的运行状态，以保证水泵系统能以最佳状态进行运行，从而实现管网的合理调度和节能。5.3供电系统节能控制电力供应是为建筑物提供能源的系统，变、配电所是智能大楼不可缺少的重要部分。对电力供应系统的监控管理功能可概括为：检测运行参数，如电压、电流、功率、变压器温度等。为正常运行时的计量管理，事故发生时的原因分析提供依据。监视电气设备运行状态，如高、低压线断路器、母线联络断路器等各种类型开关当前分、合状态，是否正常运行，提供电气接线图开关状态画面；如发现故障，自动报警，并显示故障位置、相关电压、电流数值等。对建筑物内所有用电设备的用电量进行统计及电费计算与管理，包括空调、电梯、给排水、消防喷淋等动力用电和照明用电；绘制用电负荷曲线，如日负荷、年负荷曲线；并实现自动抄表、输出用户电费单据等。对各种电气设备的检修、保养维护进管理。如建立设备档案，包括设备配置，参数档案，设备运行，故障及检修档案等，生成定期维修操作单并存档，避免维修操作时的误报警等。5.4照明系统节能控制在一幢大楼内照明的消耗率占整个能源消耗的30%左右。所以节能应从电气方面着手.降低电能的消耗。照明系统能耗很大，在大型建筑中往往仅次于供热、通风及空调(HVAC)系统。楼宇自控系统可以事先在操作站的日历上确定程序，区分“工作”与“非正作”时间.用程序设定开/关灯时间。另外利用钥匙开关、红外线、超声波测量等方法控制，可以达到人离开室内5min以内自动关灯。由国外的分析报告指出，按以上设计方案的照明控制，大约可以节省30%左右的照明用电。照明系统采用BAS后，用电量可比未采用BAS时的用电量减少25%以上，若每年用电100万kWh，则每年可直接节约电量25万kWh，经济价值15万元